摘要：文章將結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，分析增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AugmentReality，AR)、建筑信息模型(BuildingInformationModel-ing，BIM)以及地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem，GIS)三項(xiàng)技術(shù)的區(qū)別與聯(lián)系，研究其在施工過(guò)程中的深度融合應(yīng)用，并就其在跨界融合中的重要步驟和技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行解析，從而為三者在施工安全管理中的應(yīng)用提供新的思路。

　　關(guān)鍵詞：AR;BIM;GIS;增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);輕量化

　　引言隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，建筑信息模型(BIM)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)取得了飛速進(jìn)步，并且在建筑、水利等相關(guān)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1]。近年來(lái)伴隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、平板電腦、智能手機(jī)的迅速普及與更新，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)逐漸進(jìn)入人們的視野，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用前景與趨勢(shì)受到廣泛關(guān)注。同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)高速化、多元化和智能化的發(fā)展，為相關(guān)行業(yè)提供了技術(shù)上的支撐，從而為AR+、BIM+、GIS+在施工安全管理中的應(yīng)用提供了更多機(jī)遇和可能。

　　科技論文投稿刊物：科技導(dǎo)報(bào)以發(fā)表國(guó)內(nèi)外科學(xué)技術(shù)各學(xué)科專業(yè)原創(chuàng)性學(xué)術(shù)論文為主，同時(shí)刊登階段性最新科研成果報(bào)告，以及國(guó)內(nèi)外重大科技新聞，快速、全方位、高密度、大容量地提供科技信息，力爭(zhēng)辦成一份有影響、有特色、有品位的高層次、高水平、高質(zhì)量學(xué)術(shù)期刊。

　　本文將以AR技術(shù)應(yīng)用為切入點(diǎn)，融合BIM和GIS技術(shù)，為構(gòu)建施工過(guò)程中可視化安全管理平臺(tái)提供思路。圍繞三者間的關(guān)系解析AR的三維注冊(cè)與虛擬結(jié)合技術(shù)、BIM在AR系統(tǒng)中的輕量化處理以及AR系統(tǒng)中的GIS的坐標(biāo)定位等重要流程和技術(shù)難點(diǎn)，并為相關(guān)問(wèn)題的解決提供思路和方法。分析AR、BIM、GIS在施工中的融合應(yīng)用，探索展望相關(guān)應(yīng)用在行業(yè)的發(fā)展前景。

　　1AR、BIM、GIS技術(shù)的區(qū)別與聯(lián)系

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AugmentedReality，AR)技術(shù)是一種實(shí)時(shí)人機(jī)交互技術(shù)，是對(duì)虛擬信息和現(xiàn)實(shí)世界的融合[2]。AR技術(shù)主要包含虛擬現(xiàn)實(shí)融合、實(shí)時(shí)交互、三維注冊(cè)三大特征。其中三維注冊(cè)最為重要。三維注冊(cè)強(qiáng)調(diào)虛擬對(duì)象和現(xiàn)實(shí)世界的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也叫三維匹配，是對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境空間的跟蹤與定位。建筑信息模型(BuildingInformationModeling，BIM)技術(shù)是一種建筑信息模型化的技術(shù)，它將工程項(xiàng)目全生命周期中不同階段的工程信息、過(guò)程和資源集成到了一個(gè)模型中，方便被工程各參與方使用。

　　地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem，GIS)技術(shù)是基于空間信息，通過(guò)地理角度分析法，獲取多種空間地理位置信息的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)，它為地理研究和地理決策提供相關(guān)依據(jù)。其基本功能是將表格型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地理圖形顯示，然后實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示結(jié)果進(jìn)行瀏覽、操作與分析。將攜帶數(shù)據(jù)信息的BIM模型與AR、GIS技術(shù)結(jié)合，利用AR的實(shí)時(shí)跟蹤和三維注冊(cè)技術(shù)將虛擬的BIM模型與真實(shí)世界“混合疊加”，實(shí)現(xiàn)同一畫(huà)面的實(shí)時(shí)交互查詢。

　　同時(shí)結(jié)合GPS與GIS技術(shù)，引入空間信息，將BIM模型與現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)坐標(biāo)匹配，保證AR跟蹤與定位準(zhǔn)確性與精確性。在信息化高速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的偏平化二維圖紙?jiān)谡宫F(xiàn)信息上內(nèi)容繁雜，形式單一，尤其是在空間信息的表現(xiàn)上存在著很大的局限性，已經(jīng)不足以滿足施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求。基于AR、BIM、GIS技術(shù)的可視化系統(tǒng)能夠有效解決這一難題，它能夠形象直觀地展示隱藏的內(nèi)部管線，同時(shí)也能通過(guò)動(dòng)畫(huà)交互等手段，模擬演練施工過(guò)程中的安全問(wèn)題，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)。

　　2AR技術(shù)解析

　　2.1AR核心技術(shù)

　　當(dāng)前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)分兩種，一種是由MilgramP和KishinoF提出的：將真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境放置在兩端，其中接近真實(shí)的叫增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)，接近虛擬的叫增強(qiáng)虛擬(VR)，位于中間的叫混合現(xiàn)實(shí)(MR);另一種是Azuma定義的：以虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互、三維注冊(cè)為特點(diǎn)，采用附加的圖片、文字信息對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的增強(qiáng)技術(shù)[3]。其中三維注冊(cè)技術(shù)尤為重要，它可以通過(guò)攝像機(jī)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的定位與跟蹤獲取三維空間信息來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬物體與真實(shí)世界的融合。

　　2.2常見(jiàn)的AR

　　SDK由于從底層算法開(kāi)始開(kāi)發(fā)會(huì)涉及到一些較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法的知識(shí)，無(wú)形中加大了開(kāi)發(fā)人員的時(shí)間成本和學(xué)習(xí)成本。所以通常在開(kāi)發(fā)一款A(yù)R產(chǎn)品前會(huì)選擇合適的SDK，SDK作為AR的開(kāi)發(fā)引擎，能夠幫助開(kāi)發(fā)者集成一些開(kāi)發(fā)框架、API、操作平臺(tái)等，使開(kāi)發(fā)者簡(jiǎn)單快速的達(dá)成目標(biāo)。

　　市面上常見(jiàn)的SDK有很多，如：ARKit、ARCore、Vufo-ria、AR.js、A-Frame以及TARSDK等。其中大部分的SDK工作原理基本相同，都是采用視覺(jué)慣性系統(tǒng)(VisualIner-tialOdometry，VIO)來(lái)追蹤定位周?chē)�的環(huán)境，所以SDK的優(yōu)劣選擇更多的取決于硬件設(shè)備的支持度和用戶使用的廣泛度。例如HoloLens的頭顯追蹤器性能很高，但是由于價(jià)格高昂且攜帶不便等原因，硬件市場(chǎng)并不廣泛。在這方面，蘋(píng)果的ARKit雖然起步較晚，但是在VIO算法與傳感器結(jié)合校準(zhǔn)的研究上投入了大量的時(shí)間，并將相關(guān)成果應(yīng)用于其各類移動(dòng)設(shè)備中，加之蘋(píng)果產(chǎn)品的廣大用戶群，ARKit逐漸成為一匹后來(lái)居上的黑馬。本文將以ARKit為例，解析AR應(yīng)用開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

　　2.3ARKit基礎(chǔ)原理及特征解析

　　ARKit是2017年6月蘋(píng)果公司在IOS11中新增的AR框架，其工作原理主要包括：(1)tacking(實(shí)時(shí)跟蹤捕捉環(huán)境信息，生成空間數(shù)據(jù))。(2)SceneUnderstanding(識(shí)別當(dāng)前場(chǎng)景，尋找放置虛擬對(duì)象的空間位置)。(3)Rendering(虛擬物體與真實(shí)世界的渲染融合)。ARKit一方面可以使用VIO系統(tǒng)將攝像頭的傳感器數(shù)據(jù)同CoreMotion數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，這兩種數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確地感知跟蹤設(shè)備在空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，而且無(wú)需額外校準(zhǔn);另一方面能通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)形成點(diǎn)云(特征點(diǎn))，尋找現(xiàn)實(shí)空間中的水平面來(lái)放置虛擬物體，同時(shí)還可以通過(guò)攝像頭傳感器評(píng)估環(huán)境中的光照量，為虛擬物體模擬適合環(huán)境的光照強(qiáng)度，提高虛擬物體與環(huán)境融合渲染的真實(shí)性。

　　2.4ARKit的基礎(chǔ)應(yīng)用解析

　　ARKit定義了一套較為簡(jiǎn)單且使用方便的API，通過(guò)API中多個(gè)類的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)AR系統(tǒng)的運(yùn)作，主要有ARS-ession、ARSessionConfiguration、ARFrame、ARCamera等。

　　2.4.1ARSession

　　ARSession作為ARKit的核心，其主要負(fù)責(zé)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)過(guò)程中的大部分?jǐn)?shù)據(jù)處理工作，它能實(shí)時(shí)不斷地從攝像頭獲取設(shè)備的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并對(duì)攝像機(jī)捕獲的圖像信息進(jìn)行分析，通過(guò)整合會(huì)話結(jié)果在現(xiàn)實(shí)空間和AR虛擬世界之間建立對(duì)應(yīng)的聯(lián)系。此外，每一個(gè)用ARKit實(shí)現(xiàn)的AR場(chǎng)景都需要單獨(dú)的ARSession對(duì)象。如采用ARSCNView或者AR-SKView對(duì)象來(lái)創(chuàng)建AR場(chǎng)景的話，場(chǎng)景中會(huì)自帶ARSes-sion。如果自建AR渲染，就需要手動(dòng)創(chuàng)建并維持一個(gè)ARSession對(duì)象。

　　2.4.2ARSessionConfiguration

　　ARSessionConfiguration的作用是追蹤物體的運(yùn)動(dòng)方向，用來(lái)維持現(xiàn)實(shí)空間和虛擬世界的空間坐標(biāo)關(guān)系。但是其作為最基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)追蹤，僅能對(duì)虛擬物體繞著三個(gè)軸向(x、y、z)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)觀察，不可平移，無(wú)法看到虛擬物體的背面和其它部分。此時(shí)通常使用它的子類ARWorldTrack-ingSessionConfiguration，與ARSessionConfiguration相比，其能夠精確追蹤空間坐標(biāo)系三個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)與平移，無(wú)論用戶旋轉(zhuǎn)或者移動(dòng)設(shè)備來(lái)觀察，虛擬物體都會(huì)位于相對(duì)于現(xiàn)實(shí)空間的同一個(gè)位置，大大降低了設(shè)備移動(dòng)時(shí)給AR體驗(yàn)帶來(lái)的不穩(wěn)定性。

　　2.4.3ARFrame

　　ARFrame包括了兩部分信息：ARAnchor和ARCamer-a。兩者同樣表示的是物體的位置和方向，區(qū)別在于ARAnchor一般指的是虛擬對(duì)象的3d錨點(diǎn)，ARFrame則表示的是AR相機(jī)的位置和方向以及追蹤時(shí)間。

　　2.4.4ARCamera

　　ARCamera是捕捉現(xiàn)實(shí)世界圖像的相機(jī)，同時(shí)也作為3D虛擬世界的相機(jī)，它是虛擬世界通往現(xiàn)實(shí)世界的窗口，通常ARCamera捕獲的圖像是一個(gè)一個(gè)的ARFrame構(gòu)成。此外由于ARKit自身并不提供創(chuàng)建虛環(huán)境的引擎，通常可以采用其它的3D/2D引擎進(jìn)行虛擬環(huán)境的構(gòu)建，常用的有SceneKit、OpenGL、Uity3D、UnrealEngine等，因?yàn)锳RKit并沒(méi)有限制使用哪款引擎來(lái)構(gòu)建虛擬世界，因此很多的引擎都集成了ARKit的插件，例如Uity3D，其對(duì)ARKit的底層API接口進(jìn)行了很好的封裝，相較ARKit的原生開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)門(mén)檻明顯降低，效率更高，渲染效果也更好。

　　另外Uity3D還具備豐富的插件庫(kù)、支持C#，javascript等多語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境、可視化的編輯界面以及跨平臺(tái)的相關(guān)功能等優(yōu)勢(shì)，為連接BIM模型、引入DEM空間數(shù)據(jù)、AR的GIS定位等提供了方式，是AR應(yīng)用開(kāi)發(fā)推薦引擎。

　　3BIM模型的輕量化處理的關(guān)鍵技術(shù)

　　龐大體量的BIM模型對(duì)服務(wù)器及應(yīng)用系統(tǒng)無(wú)疑是一種負(fù)擔(dān)，所以BIM模型輕量化編輯是AR系統(tǒng)對(duì)接和開(kāi)發(fā)的前提和重難點(diǎn)。BIM模型的輕量化通常從群體模型元和單一模型元兩個(gè)層面進(jìn)行考慮，由于AR系統(tǒng)甚少用到群體大規(guī)模的模型元，因此對(duì)其方法本文暫不論述，只從單個(gè)模型元的輕量化處理進(jìn)行解析。

　　單模型元的輕量化處理第一種方法是利用Revit和3Dmax等軟件中PARameteri-zation、LOD的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化的結(jié)果。首先可以在Revit軟件中利用數(shù)據(jù)迭代工具對(duì)參數(shù)化模型進(jìn)行數(shù)據(jù)迭代。然后將迭代后的模型導(dǎo)入3Dmax中進(jìn)行網(wǎng)格化處理，利用skyline的max腳本清除模型中離散點(diǎn)及空物體可以減少一部分BIM模型網(wǎng)格化后產(chǎn)生的冗余信息，通過(guò)3Dmax的模型優(yōu)化工具，可在不破壞uv結(jié)構(gòu)的情況下按設(shè)置的百分比對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行減面優(yōu)化，該工具可按照設(shè)置在后臺(tái)導(dǎo)出若干不同LOD(LevelsofDetail)精度的模型文件，此方法在一定程度下模型細(xì)節(jié)會(huì)有一定損失，但是對(duì)模型優(yōu)化程度較高，幾乎支持所有格式的導(dǎo)出及轉(zhuǎn)換，同時(shí)保存完整的uv結(jié)構(gòu)也為后期模型貼圖材質(zhì)的編輯提供便利條件。另一種是可利用Draco等軟件對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行二次壓縮，但是此方法必須修改源碼，在大多數(shù)AR系統(tǒng)里，往往不能直接使用。

　　4GIS技術(shù)在AR中的應(yīng)用解析

　　2016年任天堂發(fā)布了一款名為《PokémonGo》的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲，首次將AR技術(shù)與GIS技術(shù)融合，它采集了現(xiàn)實(shí)世界中的地理位置等數(shù)據(jù)，把虛擬信息和現(xiàn)實(shí)世界的信息疊加，給用戶帶來(lái)一種身臨其境的感官體驗(yàn)。在復(fù)雜多變的施工環(huán)境下，創(chuàng)建真實(shí)的地理數(shù)據(jù)與同步定位的AR系統(tǒng)能夠提升作業(yè)人員對(duì)環(huán)境的感知力，同時(shí)滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的交互需求。

　　4.1AR系統(tǒng)中的真實(shí)地形創(chuàng)建

　　AR系統(tǒng)中真實(shí)地形創(chuàng)建方式通常分為兩種：一種是利用外部導(dǎo)入的地形;另一種則是引擎自己生成的地形。大部分AR引擎只支持前者，只有少部分如Unity3D、Un-realEngine等游戲類引擎兩者都支持。所以在地形的創(chuàng)建和AR的融合上Unity3D依然是首選。雖然兩種方式的原理都是利用DEM、Shapefile類文件數(shù)據(jù)網(wǎng)格化生成，但是前者的模型在導(dǎo)入引擎時(shí)，經(jīng)過(guò)二次轉(zhuǎn)換并不能保留地形的真實(shí)地理坐標(biāo)信息，且材質(zhì)效果不佳，模型缺乏可編輯性;相反，用Unity3D的自帶工具生成的地形能夠保存原始地理坐標(biāo)信息，并且依托其完善的材質(zhì)燈光系統(tǒng)，達(dá)到逼真的渲染效果。

　　4.2AR系統(tǒng)的GPS定位

　　GPS定位服務(wù)，通過(guò)IOS和Android的原生開(kāi)發(fā)都可以實(shí)現(xiàn)，但是與AR結(jié)合開(kāi)發(fā)相對(duì)繁瑣，Unity3D的GPSLocation的插件提供了一套較好的解決方案，它能夠通過(guò)AR虛擬物體的GPS坐標(biāo)將其放置在現(xiàn)實(shí)地理空間中的，并且能很好地融合ARKit、Vuforia等SDK的跟蹤數(shù)據(jù)來(lái)保障虛擬物體的同步定位。

　　除此之外，Unity3D還集成了一款強(qiáng)大的地圖開(kāi)發(fā)插件Mapbox，它是基于移動(dòng)和Web應(yīng)用程序的位置數(shù)據(jù)平臺(tái)。可構(gòu)建基塊，將地圖、搜索和導(dǎo)航等功能添加到何體AR系統(tǒng)中，使開(kāi)發(fā)者更容易進(jìn)行真實(shí)世界興趣點(diǎn)(POI)的定位，同時(shí)它還包含了對(duì)ARKit、ARCore的接口連接與功能支持，也為AR系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供服務(wù)與保障，是AR與GIS融合開(kāi)發(fā)的推薦選擇。

　　5結(jié)論

　　基于本文對(duì)AR、BIM、GIS技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)的概述和分析及應(yīng)用實(shí)例，AR與BIM模型、GIS技術(shù)結(jié)合的可視化系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)同一畫(huà)面的實(shí)時(shí)交互查詢和BIM模型與現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)坐標(biāo)匹配，確保AR跟蹤與定位準(zhǔn)確性與精確性，從而在輔助施工作業(yè)可以取得良好的效果。通過(guò)對(duì)AR，GIS，BIM輕量化處理等關(guān)鍵技術(shù)的解析，得到了關(guān)鍵技術(shù)的取向及應(yīng)用推薦，為三項(xiàng)技術(shù)在可視化系統(tǒng)體系構(gòu)建提供了可行性的方案，可作為同類型應(yīng)用體系構(gòu)建的參考。同時(shí)可以預(yù)見(jiàn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，算力算法的不斷提升，相關(guān)技術(shù)在行業(yè)的應(yīng)用升級(jí)發(fā)展的潛力充分，前景十分廣闊。

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　　作者：華陸韜